3D SLAM背包式掃描儀在舊建筑改造輔助測量中的應(yīng)用

彭 浩 吳凱華

1廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州，510060

城市化的加速發(fā)展階段，存在著大量的舊建筑亟需測量改造。傳統(tǒng)的測量模式，受限于舊建筑及其地下室狹小的空間，對向通視難，GPS信號弱，目標(biāo)點復(fù)雜繁多、光線昏暗全站儀無法對準(zhǔn)等特殊情形，造成采集數(shù)據(jù)效率差，容易出現(xiàn)錯漏等劣勢［1］。

目前，地面場景的三維點云數(shù)據(jù)獲取一般分為兩種，移動式激光掃描和固定式激光掃描［2］?，F(xiàn)有的地面移動測量系統(tǒng)通常是基于車載的移動測量系統(tǒng)的［3］，但地面移動測量系統(tǒng)均需要依賴于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，只能用于室外環(huán)境。固定式激光掃描雖然可以用于室內(nèi)室外環(huán)境，但是復(fù)雜場景需要大量換站測量，然后再進(jìn)行點云拼接［3-5］，數(shù)據(jù)獲取的效率十分低下。

3D同步定位與建圖（3D simultaneous localization and mapping，3D SLAM）技術(shù)在移動測繪方面具有較好的應(yīng)用，能夠?qū)κ覂?nèi)和室外的地面水平環(huán)境進(jìn)行地圖構(gòu)建和環(huán)境建模，降低了測量復(fù)雜性，無需大量標(biāo)記地物特征點［6-8］，能在GPS信號中斷的情況下正常作業(yè)，適用于在室內(nèi)室外場景，能夠解決傳統(tǒng)測繪中的定位及場景重建問題，且數(shù)據(jù)采集方式簡單，無需外業(yè)人員具備較豐富經(jīng)驗即可完成工作，降低作業(yè)門檻。本文利用3D SLAM背包測量機(jī)器人在廣州市越秀區(qū)采集舊建筑及其地下室數(shù)據(jù)點云，利用三維點云數(shù)據(jù)制作立面圖、平面圖等信息，并根據(jù)人工量尺方式對點云量測結(jié)果進(jìn)行精度評定。

1 舊建筑改造輔助測量方案

本次舊建筑輔助改造測量采集的數(shù)據(jù)范圍為廣州市越秀區(qū)某舊建筑地下室3層以及地上主體2層。由于3D SLAM技術(shù)可脫離GNSS信號作業(yè)，對工作環(huán)境又有極強(qiáng)的適應(yīng)性［6，8］，具體表現(xiàn)為：①外業(yè)數(shù)據(jù)采集速度極快，可快速獲得所需點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度高；②內(nèi)業(yè)點云預(yù)處理時間短，自動化程度高，基本不需要人工干預(yù)，短時間便能獲得配準(zhǔn)好的點云數(shù)據(jù)；③操作簡單方便，無需換站，連續(xù)采集，具有連貫性，可實現(xiàn)室內(nèi)外一體化掃描作業(yè)。而該地下室常年未經(jīng)使用，光線昏暗并存在積水，是3D SLAM背包式掃描儀比較合適的作業(yè)場景。因此，采用3D SLAM技術(shù)的背包式掃描儀對該舊建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 3D SLAM技術(shù)的背包式掃描儀Fig.1 Backpack Scanner Based on3D Slam Technology

通過點云數(shù)據(jù)采集，獲取建筑結(jié)構(gòu)尺寸信息，具體包括柱、梁、墻體；項目需提供上述細(xì)部具體尺寸、位置信息，輔助制作建筑平面、立面圖紙，從而設(shè)計建筑改造方案。其項目技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 項目技術(shù)方案流程Fig.2 Project T echnical Proposal Process

2 數(shù)據(jù)處理及制圖

2.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集之前需搜集項目工地信息，包括但不限于已有圖紙、現(xiàn)場照片，需提前踏勘現(xiàn)場規(guī)劃數(shù)據(jù)采集路線，避免出現(xiàn)重復(fù)采集和數(shù)據(jù)漏采，出于3D SLAM背包掃描機(jī)器人采集數(shù)據(jù)原理的特殊性，采集數(shù)據(jù)移動路線需設(shè)計成閉合環(huán)路，結(jié)合設(shè)備特性和經(jīng)驗判斷，環(huán)路邊長適宜控制在200 m以內(nèi)。點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理（主要包括點云配準(zhǔn)、去噪、拼接等）均內(nèi)置在隨機(jī)軟件中完成。

設(shè)備采集完數(shù)據(jù)并預(yù)處理之后，成果為具有位置信息的點云數(shù)據(jù)。一般情況下，用戶的需求并不是直接的點云數(shù)據(jù)，而是在數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上二次加工，生成的滿足用戶特定需求的產(chǎn)品［9-13］，本項目需要在三維點云數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上生成建筑平面、立面、剖面圖紙。

2.2 平面圖制作

初期考慮到圖紙格式的通用性，本項目主要在AutoCAD平臺上進(jìn)行，首先將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Auto-CAD中，顯示效果如圖3所示。

圖3 點云在CAD中的顯示Fig.3 Display of Point Cloud in CAD

為獲取建筑目標(biāo)信息、需采用切片方式，顯示建筑物內(nèi)部間隔形狀、走向、寬度等信息，并在點云數(shù)據(jù)中勾勒出內(nèi)部間隔線，其具體步驟如下。

1）確定切片的位置：某一層平面圖可以理解為三維物體在某個平面上的投影，首先要確定這個投影面的位置，可以采用旋轉(zhuǎn)點云的方式選擇投影面，也可通過自定義坐標(biāo)系方式選擇，前者變動了點云的絕對位置，后者在原坐標(biāo)系下點云坐標(biāo)位置不變。對于建筑物平立剖面制圖，變動點云絕對坐標(biāo)位置并不影響成果。

2）在自定義坐標(biāo)系下，選擇合適的視圖（正視、俯視等），并在視圖下勾勒出建筑物立面輪廓。

3）輪廓勾勒完成之后，旋轉(zhuǎn)點云數(shù)據(jù)檢查輪廓。

AutoCAD切片操作中需注意切片厚度，過厚容易造成點云數(shù)據(jù)密集，導(dǎo)致視覺判斷復(fù)雜而引發(fā)錯漏。部分點云制圖效果如圖4所示。

圖4 部分點云制圖成果Fig.4 Some Point Cloud Mapping Results

剖面圖的制作方法與平面圖基本一致，區(qū)別在于切片的角度不一樣，這里不再重復(fù)。

2.3 立面圖的制作

對于建筑物的立面圖制作，主要分為以下兩個步驟。

1）剔除立面非建筑物點云。在點云采集過程中，目標(biāo)建筑周邊存在樹木、雜物等干擾點云數(shù)據(jù)，需在繪制立面圖之前予以剔除，以免影響立面圖繪制時的判斷。

2）選擇合適的視圖（正視、東至北等視圖），并在視圖下勾勒出建筑物立面輪廓。

3 成果精度分析

通過點云的配準(zhǔn)拼接處理得到地下室和地上建筑物的內(nèi)外部的點云數(shù)據(jù)。在獲得的點云中選取充分的特征物，例如柱子、橫梁、房角等規(guī)則物體。然后利用GPS、全站儀、卷尺等常規(guī)測量手段測量，檢核這些特征物體的特征點和特征線。利用量取間距等空間工具量取點云特征物的長寬高等數(shù)據(jù)作為觀測值。計算差值Δ=觀測值－檢核值。

由于點云數(shù)據(jù)的密集性，觀測值需要依靠人工判別去獲取，存在偶然誤差的影響。采用多次量測取平均值方式，盡量降低人工判讀誤差的影響。本文區(qū)分地上、地下建筑物特征值，分別統(tǒng)計觀測值和檢核值。

根據(jù)式（1）計算得到中誤差RMSE（root mean square error）并最終以中誤差作為本次試驗評價精度的標(biāo)準(zhǔn)。

表1給出了地下室平面精度結(jié)果，表2給出了地上主體建筑平面精度結(jié)果，圖5給出了地下室及地上建筑物差值誤差分布圖。

表1 地下室平面精度結(jié)果/mTab.1 Basement Plane Accuracy Results/m

由表1、表2及圖5可以看出：

圖5 地下室及地上建筑物差值誤差分布圖Fig.5 Difference Error Distribution of Basement and Aboveground Buildings

表2 地上主體建筑平面精度結(jié)果/mTab.2 Plane Accuracy Results of Main Buildings on the Ground/m

1）三維點云數(shù)據(jù)測量出的建筑物尺寸與以人工量尺方式的檢核值，誤差最大絕對值為4 cm，最小值為0，誤差有正有負(fù)，不存在統(tǒng)一的偏大或者偏小，說明并無系統(tǒng)性偏差；

2）較差統(tǒng)計值中誤差小于2 cm，基本滿足舊建筑改造等一般工程測量精度要求；

3）地面及地下較差統(tǒng)計值中誤差基本一致，3D SLAM背包式測量機(jī)器人在室外無遮擋情況下可獲取GNSS信號獲取絕對坐標(biāo)，在室內(nèi)GNSS信號缺失的情況下則需要依靠SLAM算法自動捕捉相鄰時刻的同名特征點并同步配準(zhǔn)，且本次舊建筑輔助測量成果為平面、立面、剖面建筑布局、尺寸，對建筑絕對坐標(biāo)精度無要求，相對精度依靠的是同樣的SLAM算法，故兩者中誤差統(tǒng)計值基本一致。

4 結(jié)束語

本文利用3D SLAM技術(shù)的背包式測量機(jī)器人，以廣州市越秀區(qū)某舊建筑物的地下室3層以及地上主體2層輔助改造測量的具體應(yīng)用為例，設(shè)計了該項目的作業(yè)流程和技術(shù)方案，實驗結(jié)果較好地證實了該種新型技術(shù)在舊建筑等室內(nèi)狹小空間測量中的適用性與優(yōu)越性，并通過人工量尺方式驗證成果誤差約0.02 m，基本上能滿足一般工程測量的精度需求。